周代初，本县是焦获的组成部分，焰狁族定居之所。
秦汉至西晋，与泾阳同为一域，治所先名泾阳，后曰池阳。秦属北地郡、汉属左冯翊。
前秦苻健皇始二年（352）设三原护军；北魏太武帝太平真君七年（446），罢护军置三原县，属北地郡。三原之名始于前秦，护军幕府县治治所在今马额乡以北的耀县境内。
北魏孝明帝孝昌二年（526）诏析北地郡之三原县为建忠郡，属北雍州。《北史·毛遐传》载：“明帝以鸿宾兄弟所定处多，乃改北地郡为北雍州，鸿宾为刺史。诏曰此以昼锦荣卿也，改三原县为建忠郡，以旌其兄弟”。
北魏孝庄帝永安元年（528），于三原县（境内）置北雍州治所。因永安年筑城，故名永安。故城在今淳化小豆村。《陕西通志》：“毛鸿宾义栅即永安故城，有唐贞元间碑载此地遗事；今地属淳化，嘉靖间淳化人磨作儒学碑矣”。《贺志》：“毛鸿宾义栅在县西北六十里小杜村”。据此可知小杜村在淳化境内，今名小豆村；与本县城北11公里之杨杜村实非一地。
同年（永安元年），徙县治于清水谷。
北魏孝武帝永熙元年（532），徙北雍州（治所）于宜州（今耀县），仍于城中置永安镇，在今富平县境界内淡村附近。按此记述，永安城有故城新城之别；故城在今淳化。新城在今富平界内。
北周武帝建德二年（573），（建忠）郡废，以三原县隶冯翊郡。《朱志》注曰：“今县东北三十里即三原县故城”。最近发现的《叱罗墓志铭》中载有“建德二年春，宜州建忠郡华池县雍南乡（今陵前乡）”的记述，证明“华池”作为县名必始于北魏或北周。
隋文帝开皇三年（583）以县隶雍州，后属京兆。县治在永安镇（今富平境内淡村一带）。
唐高祖武德四年（621），徙治清水谷南故任城，改池阳县。
唐高祖武德六年（623），又徙（隋）故所，改华池县，仍分治三原县（《新唐书》作“析置三原县”），隶北泉州。“分治三原县”，即华池与三原并列，南北分治。华池县治在北，三原县治在南。
唐太宗贞观元年（627），省（撤销）泉州，改华池县为三原县，隶雍州。《新唐书》载：“贞观元年，……华池改为三原县，永康陵在北十八里，献陵在东十八里，庄陵在西北五里，端陵在东十里。”按此方位，唐初池阳及贞观后之三原县治当在今西阳镇东北不远处。附近有城南管、城南李村可做参考确定县治处所；又据康马堡一带老辈居民回忆，民国时期当地有“古池阳”残碑一方，农人曾用作打土坯基石之用，所打土坯之上“池阳”二字，赫然在目。
五代梁朝，三原县属西安府，县治仍在西阳镇东北之故任城。
五代的唐、晋、汉、周时、三原县改属耀州，县治在故任城。
宋、金、及元初，三原县仍属耀州府。县治在故任城。
元朝至元二十四年（1287），县治迁徙至龙桥镇，即今之三原县城。历七百余年至今。
明代，三原县先属耀州；后因西安省府公文、差旅，反溯倒行，实为不便，弘治三年（1490）改属西安府。清承明制，县名、隶属均无变化。
民国时期，先实行省、道、县三级建置，后废道，在省、县间设行政督察区。三原县属咸阳行政督察专员公署（为省第十区）。
1949年5月14日三原解放，县人民政府迁入城内。县城设陕甘宁边区三原分区专员公署，辖三原、泾阳、高陵、富平、耀县、铜川、淳化7县。1950年5月撤销三原分区，县隶属咸阳地区。
1953年县改隶渭南地区；1956年10月改由省辖。
1958年12月，泾阳、三原、高陵、淳化四县合并，统称三原县。合并的县人民委员会设在三原城关镇，辖14个公社；另设三原城市管区，辖城关镇。1961年8月国务院批准陕西省调整专县行政区划，撤销泾、三、高、淳大县建制，恢复三原县制，隶属咸阳地区。
1984年，咸阳地区改市后，本县为咸阳市辖县
